JP2013051381A - エキシマレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャンバへの大気流入を防いでミラーを交換できる装置を提供する。
【解決手段】 フッ素ガスを封入するチャンバと、放電電極と、共振器となる一対のミラーと、を備えるエキシマレーザ装置で、フッ素ガスを不活性ガスに置換するとともにチャンバ内圧を陽圧にする置換手段と、ミラーを取り付けるための開口を有するミラー取付部と、チャンバ内部に設けられ，開口を塞ぎチャンバ内を密封するとともに所定の回転軸によりチャンバの内側に向けて回動可能に取り付けられるシャッタを有するシャッタユニットと、ミラー取付部に取り付けられミラーを保持するミラーホルダであってミラーを保持するベース部と、開口から挿入されミラー取付部へのミラーホルダの取り付け動作によりシャッタを押し，レーザ共振の光路からシャッタを退避させるためのシャッタ退避部材とを有するミラーホルダと、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、フッ素ガスをレーザ媒質に用いるエキシマレーザ装置に関する。

エキシマレーザ等の紫外域のレーザが、半導体の製造、眼科用の角膜手術装置に利用されている。フッ素ガスをレーザ媒質に用いるエキシマレーザ装置では、チャンバ内のガスと接触している光学部品（ウインドウや出力ミラー、全反射ミラー）が劣化するため、光学部品は定期的に交換する必要がある。このようなウインドウやミラーの交換方法としては、シャッタを用いてチャンバ内を外部から閉鎖した状態でウインドウを交換することのできる技術が知られている（特許文献１参照）。特許文献１の装置では、ミラーの取り付け部に小さな空間とシャッタを設け、チャンバ内に空気が入らないようにしている。

特開２００９−９９５７５号公報

しかしながら、特許文献１の装置は、シャッタとミラーとの間（小空間）にわずかながらも空気がたまるため、シャッタを開くとチャンバに空気が入ってしまう。この空位が悪影響を及ぼす可能性がある。また、シャッタの開閉機構としてバネや電気的な開閉を行うため、装置構成が複雑となる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、簡単な構成でチャンバ内への大気の流入を防ぎつつ、簡単にミラーを交換できるエキシマレーザ装置を提供することを技術課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を有することを特徴とする。
（１） レーザ媒質となるフッ素ガスを封入するチャンバと、該チャンバ内に設置された放電電極と、前記チャンバ内に取り付けられ共振器となる一対のミラーと、を備えるエキシマレーザ装置において、
前記チャンバ内に封入されている前記フッ素ガスを不活性ガスに置換するとともに，該不活性ガスが充填された前記チャンバ内の圧力を大気圧に対して陽圧に維持するための置換手段と、
前記チャンバに前記ミラーを取り付けるための開口を有するミラー取付部と、
前記チャンバ内部に設けられ，前記開口をチャンバ内部から塞ぎチャンバ内を密封するとともに，所定の回転軸により前記チャンバの内側に向けて回動可能に前記チャンバ内に取り付けられるシャッタを有するシャッタユニットと、
前記ミラー取付部に取り付けられ前記ミラーを保持するミラーホルダであって，前記ミラーを保持するベース部と、前記開口から前記チャンバ内部に挿入され前記ミラー取付部へのミラーホルダの取り付け動作により前記シャッタを外部から押し，前記開口から前記シャッタを外すと共にレーザ共振の光路から前記シャッタを退避させるためのシャッタ退避部材とを有するミラーホルダと、
を備えることを特徴とする。
（２） （１）のエキシマレーザ装置において、
前記シャッタ退避部材には、前記開口の径と同じ程度の外形サイズを有する円筒部材であり、該円筒部材には前記チャンバ内に充填される前記不活性ガスを外部に逃がすための通気孔が形成されている、
ことを特徴とする。
（３） （２）のエキシマレーザ装置において、前記シャッタ退避部材に設けられる前記通気孔は少なくとも前記ベース部の近傍に形成されることを特徴とする。
（４） （１）〜（３）の何れかのエキシマレーザ装置において、
前記シャッタユニットは、前記シャッタが前記開口を塞いだときに外側に露出する位置に、前記シャッタ退避部材の先端部と当接するために突出した突起であって，前記シャッタ退避部材の前記チャンバ内への押し込みに応じて前記シャッタの退避を増加させるようにガイドするためのガイド部材を備える、ことを特徴とする。
（５） （４）のエキシマレーザ装置において、
前記ガイド部材は、前記シャッタの表面から突出するように形成された柱状部材であり、
前記柱状部材は、前記シャッタが前記開口を塞いだ状態で前記開口内の領域で前記回転軸側に配置されている、ことを特徴する。

本発明によれば、簡単な構成でチャンバ内への大気の流入を防ぎつつ、簡単にミラーを交換できる.

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以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態のエキシマレーザ装置の概略構成図である。本実施形態で使用するエキシマレーザ装置は、Ａｒ（アルゴン）ガスとＦ2（フッ素）ガスとが混合されたレーザ媒質ガスにより得られるエキシマレーザ（発振波長１９３ｎｍ）を発振する。

エキシマレーザ装置１００は、レーザ媒質ガスが充填されるチャンバ（レーザガス容器）１０、対となる放電電極２１、２２、フッ素ガスをチャンバ１０内で循環させるためのファン３０、チャンバ１０内のガスを吸引・除去するためのポンプ４１、チャンバ１０内にガス（フッ素ガス又は不活性ガス）を充填するためのボンベ４２、ボンベ４２の供給を制御するための調節ユニット４３、レーザ光軸Ｌ上に配置され共振器となる一対のミラーである全反射ミラー５１及び出力ミラー５２、ミラー５１及び５２をそれぞれ保持するミラーホルダ６０、ミラーホルダ６０がチャンバから取り外された際にチャンバ１０を密封するためのシャッタユニット７０、を備えている。ポンプ４１、ボンベ４２、調節ユニット４３等を用いることにより、チャンバ１０内をフッ素ガスから不活性ガスに置換することができる。ポンプ４１、ボンベ４２、調節ユニット４３により置換手段が構成される。

チャンバ１０や、チャンバ１０内に配置される部材には、アルミニウム等の腐食に強い金属が用いられる。チャンバ１０内部はフッ素ガスが充填されるため、チャンバ１０は予めフッ素にて不動態膜を形成させておく等の耐食性を向上させるための処理が施されている。放電電極２１及び２２は、エルンスト型であり、電極間で一様なグロー放電を行うに適した蒲鉾状の形状とされている。ボンベ４２としては、フッ素ガスが充填されたボンベ、ヘリウムガス、アルゴンガス、等の不活性ガスが充填されたボンベが使用される。調節ユニット４３は、ボンベ４２に不活性ガスが接続されている場合に不活性ガスの供給圧力を４気圧程度とするレギュレータ機能と、ガスの供給をオン・オフする電磁弁の機能を有している。なお、ポンプ４１には、ガスを廃棄するための空のボンベ等が接続されて用いられる。全反射ミラー５１の内側の面（チャンバ側）は、１９３ｎｍの波長を全て反射するコーティングが施されている。出力ミラー５２の内側の面は、１９３ｎｍの波長をほぼ反射する（例えば、９８％反射）コーティングが施されている。

エキシマレーザ装置１００は、放電電極２１及び２２を放電するための電源、駆動回路、制御ユニットを有している。また、エキシマレーザ装置１００には、光軸Ｌに沿って出射されたエキシマレーザをターゲットに対して照射する照射ユニット２００が接続される。照射ユニット２００としては、例えば、屈折矯正手術等のために、患者の角膜にエキシマレーザ光を２次元的に走査して照射するレーザデリバリ、半導体製造時のために、露光用のエキシマレーザを基板に照射するレーザデリバリ、等が挙げられる。

次に、ミラーホルダ６０とシャッタユニット７０の構成を説明する。図２及び図３は、出力ミラー５２の周辺部の拡大模式図である。図２は、ミラーホルダ６０がチャンバ１０に固定された状態を示す図であり、図３は、ミラーホルダ６０がチャンバ１０から取り外された状態を示した図である。なお、ミラーホルダ６０、シャッタユニット７０の構成はミラー５１及び５２側で共通している。ミラーホルダ６０、シャッタユニット７０の各部材は、フッ素ガスに対して耐食性を持たせるために、金属、例えば、アルミ等で形成される。

ミラーホルダ６０は、ミラー５２（又は、ミラー５１）を収める凹部を有しチャンバ１０の外壁に当接する円盤状のベース６１、ベース６１からチャンバ１０内部に向かい光軸Ｌに沿って延びるように形成されている円筒部（円筒部材）６２、円筒部６２に形成されたガスの通気孔となるスリット６３、ベース６１にミラー５１を固定するためのミラー押え６４、ミラーホルダ６０をチャンバ１０に固定するためのビス６５、を備える。

ベース６１は、円盤状のミラー５２を納めるためにミラー５２の直径と同径の凹部を有しており、ミラー押え６４は、ベース６１の外側に着脱可能に取り付けられるリング状の部材である。ミラー押え６４の外周にはネジ山が形成され、ベース６１側にもネジ山が形成されている。ミラー５２をベース６１に置いた後にミラー押え６４をベース６１に螺合させることにより、ミラー５２がベース６１に固定される。円筒部６２は、ミラーホルダ６０がチャンバ１０内に固定されたときにレーザ発振の邪魔とならないように、中空の部材となっている。円筒部６２の内径は、ミラー５１の直径程度となっている。また、円筒部６２の軸方向の長さ（光軸Ｌに沿った長さ）は、後述するシャッタ７１を光軸Ｌ上から退避させる（レーザ発振の光路から退避させる）ために充分な長さとされる。円筒部６２は、シャッタ７１を退避させるシャッタ退避部材として機能する。また、円筒部６２の先端周囲には、後述するガイド７２に当接し易くするために切り欠き６２ａが形成されている。通気孔６３は、円筒部６２の先端から基端まで、言い換えると、ミラーが保持されるベース６１の内側の位置まで形成されている。スリット状の通気孔６３の一端は、ミラーホルダ６０がチャンバ１０に固定されたときに、チャンバ１０の外壁の稜線に位置していることが好ましい。なお、通気孔としては、スリットに限るものではなく、ガスが通ることができる孔であればいずれの形状であってもよい。このような通気孔６３は少なくとも一つ形成されており、さらに複数個形成されていることが好ましい。また、通気孔６３はミラーホルダ６０がチャンバ１０に固定されたときには、チャンバ１０に設けられた開口１０ａからチャンバ１０内部に位置し、外部から遮断されている。ビス６５は、ベース６１の上下左右の４方向に取り付けられている。

シャッタユニット７０は、チャンバ１０に形成された開口１０ａ（図３参照）を覆うサイズの板状の部材であるシャッタ７１と、シャッタ７１の表面に形成されシャッタ７１の移動（退避）をガイドするガイド（ガイド部材）７２と、シャッタ７１を軸回転可能に保持するピン（ヒンジ部）７３と、を備えている。ピン７３はチャンバ１０の内壁に取り付けられ、シャッタ７１はピン７３を回転軸として開口１０ａから放電電極２１，２２側に向かって回動可能とされる。また、シャッタ７１は、チャンバ１０内に不活性ガスが充填され、内圧が陽圧（大気圧より高い圧力）となることにより、開口１０ａを塞ぐことができる。なお、シャッタ７１は自重のみによって開口１０ａを塞ぐことができるように、回転軸となるピン７３は、開口１０ａの上方に設けられることが好ましい。ガイド７２は、シャッタ７１の外側に設けられた柱状の部材であり、シャッタ７１が開口１０ａを塞いだときに開口１０ａから外側に向かって所定量延びるように形成された突起である。

なお、ガイド７２の側面は、その先端から基端（シャッタ側）に向かって傾斜するように形成されており、ミラーホルダ６０を開口１０ａ（ミラー取り付け部１５）に取り付けるときに、ガイド７２の傾斜面（側面）が円筒部６２の先端部と当接するようになっている。ミラーホルダ６０の取り付け動作によって、ガイド７２は円筒部６２に押され、シャッタ７１をレーザ発振の光路から退避させる位置まで回動させる役割を持つ。ガイド７２は、シャッタ７１の退避動作の際に、レーザ共振器の光路をガイド７２が邪魔しないように配置されている。ガイド７２は、シャッタ７１が開口１０ａを塞いだ状態で、開口１０ａ内の領域でピン７３側に配置されることが好ましい。ここでは、開口１０ａの円の上方の半円の部分にガイド７２が配置されることとなる。

開口１０ａ周辺のチャンバ１０の外壁には、ミラー取付部１５が形成される。ミラー取付部１５には、ビス６５を受けるビス受け（雌ネジ）１５ａが形成されている。ビス受け１５ａより内側（内径方向）で、開口１０ａの外側（外壁側）には、柔軟性を備えた素材（例えば、ゴム等）Ｏ（オー）リング１１が、開口１０ａを囲むように配置されている。同様に、開口１０ａの内側には、Ｏリング１２が配置されている。このため、ビス受け１５ａは、Ｏリング１１よりも外側に配置され、ベース６１は、ビス６５よりも外側まで広がって形成される。同様に、ピン７３は、Ｏリング１２よりも外側に配置される。シャッタ７１は、Ｏリング１２よりも外側に広く、ピン７３の位置までのサイズとされる。

以上のような構成を備える装置において、ミラーの交換を中心に動作を説明する。ここでは、出力ミラー５２の交換を例に挙げるが、ミラー５１の場合も同様である。

作業者は、ポンプ４１を駆動し、チャンバ１０内のフッ素ガスを除去する。そして、ボンベ４２をヘリウム等が充填された不活性ガスのボンベにして、調節ユニット４３を開放する。これにより、密閉されているチャンバ１０内は、不活性ガスで充填される。なお、この動作を複数回繰り返してもよい。このとき、チャンバ１０内の内圧は陽圧となっている。なお、本実施形態ではチャンバ内の圧力は、ミラーホルダ６０の取り外し時に大気がチャンバ１０内に流入しない程度の陽圧（例えば、大気圧に対して１０％〜２０％程度高い圧力）であればよい。

作業者は、ビス６５をドライバ等で回して、ミラーホルダ６０を取り外す。ミラーホルダ６０が開口１０ａから引き抜かれると、開口１０ａは開放状態となるが、ミラーホルダ６０の引き抜きと同時にシャッタ７１が開口１０ａを内側から塞ぐこととなる。さらに詳しく述べると、ミラーホルダ６０の引き抜きにより、ガイド７２は円筒部６２による支えを失う。図３の矢印に示されるように、支えを失ったシャッタ７１は、自重で、落下（回動）し、ピン７３を軸として開口１０ａに向かって回動する。シャッタ７１がある程度落下（回動）すると、不活性ガスの圧力によりシャッタ７１は開口１０ａ側へと押される。この間、開口１０ａからはチャンバ１０内の不活性ガスが吹き出している。シャッタ７１が内圧に押されＯリング１２に当接されると、開口１０ａは密封され、不活性ガスの流出は止る。

作業者は、ミラーホルダ６０から古いミラー５２を取り外し、新しいミラー５２に交換する。そして、作業者は、新しいミラー５２が取り付けられたミラーホルダ６０を開口１０ａに取り付けるために開口１０ａから円筒部６２をチャンバ１０内へと押し込む。ミラーホルダ６０がチャンバ１０に取り付けられる際には、開口１０ａには円筒部６２が嵌め合った状態とされるため、チャンバ１０内が外部と繋がる部分は通気孔６３以外はない。円筒部６２の先端がガイド７２の側壁（傾斜面）を押す。ガイド７２は、切り欠き６２ａの面を滑り、シャッタ７１を上方へと回転させる。シャッタ７１はピン７３を軸として上方へと回転される。このとき、開口１０ａから不活性ガスは、通気孔６３を通り外部へと吹き出るため、円筒部６２内にあった空気を通気孔６３を介して不活性ガスとともに外部に吹き出ることとなる。これにより、作業者は、ミラーホルダ６０の押し込みを不活性ガスの圧力（チャンバ内の圧力）に負けずに押し込み作業を行うことができる。なお、本実施形態では、ミラーホルダ６０が取り外れた状態ではシャッタ７１により開口１０ａが塞がっているため、不活性ガスによるチャンバ１０内の圧力はシャッタ７１と開口１０ａとの隙間から内部に空気が流入しない程度の圧力差を有していれば良く、高い内圧を必要としない。

ミラーホルダ６０を開口１０ａに位置させるために押し込み、円筒部６２がガイド７２を押すことにより、さらにシャッタ７１が回動（回転）し、シャッタ７１は、レーザ共振の光路から退避される。作業者は、ビス６５を回して、ビス受け１５ａに固定する。これにより、ベース６１（ミラーホルダ６０）は、開口１０ａを密封することとなる。ミラー５２が交換されると、作業者は、調節ユニット４３を閉じて、ポンプ４１を駆動し、密封されたチャンバ１０内から不活性ガスを除去する。ボンベ４２をフッ素ガスが充填されたボンベに交換して調節ユニット４３を開放し、チャンバ１０内にフッ素ガスを充填する。充填後は、調節ユニット４３を閉じる。このようにして、ミラー５２が交換される。

以上のようにして、簡単な構成で不活性ガスの消費を抑えてミラーを交換できる。ミラーホルダ６０の挿脱作業に応じて、開口１０ａを塞ぐ又は開放する動作ができることにより、不活性ガスの無駄な流出を低減できる。また、チャンバ１０内に空気が入らないようにするために開口１０ａ付近に、小さな密閉可能な空間等を設ける必要がない。

なお、以上の説明では、円筒部６２に通気孔を設ける構成としたが、円筒部６２内の空気が若干チャンバ内に入っても構わず、その後、排気をしっかりおこなうことができ、流入した僅かな空気を排気できれば通気孔は必ずしも必要ない。少なくとも円筒部６２が、シャッタ７１を退避させる構成であればよい。

なお、以上の説明では、シャッタ退避部材として円筒部６２を用いる構成としたが、これに限るものではない。シャッタ７１を押すことで退避させる構成であればよく、シャッタ７１を押す棒状の部材であってもよい。

なお、以上の説明では、シャッタ７１にガイド７２を設ける構成としたが、これに限るものではない。ガイドは無くてもよい。この場合、円筒部６２により、シャッタ７１を、レーザ共振の光路から退避できればよい。例えば、円筒部６２をシャッタ７１の長さ（幅）よりも長く形成する等、してもよい。

なお、以上の説明では、シャッタ７１は、ミラーホルダ６０の取り外しによって、自重で開口１０ａを塞ぐ構成としたが、これに限るものではない。ミラーホルダの６０の取り外しの動作でチャンバ１０が密閉されればよく、必ずしもシャッタ７１の自重による落下（回転）する構成に限らない。例えば、シャッタ７１を下方に回転させるための付勢部材、ダンパ等を設ける構成としてもよい。また、シャッタ７１を上方へと退避させる場合においても、シャッタ７１の回転を補助するために付勢部材、ダンパ等を設ける構成としてもよい。

なお、以上の説明では、ヒンジ部としてピン７３を用いる構成としてが、これに限るものではなない。シャッタ７１を移動できる構成であればよく、シャッタ７１をヒンジによって回転可能に保持する構成であってもよい。また、シャッタ７１は、回転により開口１０ａを塞ぐ構成に限るものではなく、スライド機構等を用いてもよい。

本実施形態のエキシマレーザ装置の概略構成図である。 ミラーホルダがチャンバに固定された状態を示す図である。 ミラーホルダがチャンバから取り外された状態を示した図である。

１０ チャンバ
１０ａ 開口
５１ 全反射ミラー
５２ 出力ミラー
６０ ミラーホルダ
６２ 円筒部
６３ 通気孔
７０ シャッタユニット
７１ シャッタ
１００ エキシマレーザ装置
２００ 照射ユニット

Claims (5)

1. レーザ媒質となるフッ素ガスを封入するチャンバと、該チャンバ内に設置された放電電極と、前記チャンバ内に取り付けられ共振器となる一対のミラーと、を備えるエキシマレーザ装置において、
   前記チャンバ内に封入されている前記フッ素ガスを不活性ガスに置換するとともに，該不活性ガスが充填された前記チャンバ内の圧力を大気圧に対して陽圧に維持するための置換手段と、
   前記チャンバに前記ミラーを取り付けるための開口を有するミラー取付部と、
   前記チャンバ内部に設けられ，前記開口をチャンバ内部から塞ぎチャンバ内を密封するとともに，所定の回転軸により前記チャンバの内側に向けて回動可能に前記チャンバ内に取り付けられるシャッタを有するシャッタユニットと、
   前記ミラー取付部に取り付けられ前記ミラーを保持するミラーホルダであって，前記ミラーを保持するベース部と、前記開口から前記チャンバ内部に挿入され前記ミラー取付部へのミラーホルダの取り付け動作により前記シャッタを外部から押し，前記開口から前記シャッタを外すと共にレーザ共振の光路から前記シャッタを退避させるためのシャッタ退避部材とを有するミラーホルダと、
   を備えることを特徴とするエキシマレーザ装置。
2. 請求項１のエキシマレーザ装置において、
   前記シャッタ退避部材には、前記開口の径と同じ程度の外形サイズを有する円筒部材であり、該円筒部材には前記チャンバ内に充填される前記不活性ガスを外部に逃がすための通気孔が形成されている、
   ことを特徴とするエキシマレーザ装置。
3. 請求項２のエキシマレーザ装置において、前記シャッタ退避部材に設けられる前記通気孔は少なくとも前記ベース部の近傍に形成されることを特徴とするエキシマレーザ装置。
4. 請求項１〜３の何れかのエキシマレーザ装置において、
   前記シャッタユニットは、前記シャッタが前記開口を塞いだときに外側に露出する位置に、前記シャッタ退避部材の先端部と当接するために突出した突起であって，前記シャッタ退避部材の前記チャンバ内への押し込みに応じて前記シャッタの退避を増加させるようにガイドするためのガイド部材を備える、ことを特徴とするエキシマレーザ装置。
5. 請求項４のエキシマレーザ装置において、
   前記ガイド部材は、前記シャッタの表面から突出するように形成された柱状部材であり、
   前記柱状部材は、前記シャッタが前記開口を塞いだ状態で前記開口内の領域で前記回転軸側に配置されている、ことを特徴するエキシマレーザ装置。